冷凍干燥技術基礎知識.

1、冷凍干燥技術基礎知識上海東富龍科技有限公司基礎知識基礎知識物態(tài)的變化物態(tài)的變化物質三態(tài)物質三態(tài)一般物質存在三種形態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。即使同一種物質也有三種形態(tài)。例如水H2O，在0時能結成冰變成固態(tài)。而在100時則變成蒸氣而成氣態(tài)。在0100之間則是液態(tài)?？梢娫谝欢ǖ臈l件下，物質的形態(tài)能夠互相轉化?；A知識基礎知識物態(tài)的變化物態(tài)的變化物態(tài)變化時的熱量變化物態(tài)變化時的熱量變化以水H2O為例說明基礎知識基礎知識物態(tài)的變化物態(tài)的變化熔化熔化固態(tài)吸收熱量變成液態(tài)的過程，此時溫度叫熔點。熔化熱熔化熱 單位質量的物質，由固體變?yōu)橥瑴囟鹊囊后w所需要吸收的熱量。單位：kcal/kg 凝固凝固 由液體放出熱量變

2、為固體的過程。凝固是熔化的逆過程。放出的熱量與該物質的熔化熱相等。凝固是在與熔化相同的溫度下進行的，所以同一物質的熔點和凝固點是一樣的。 基礎知識基礎知識物態(tài)的變化物態(tài)的變化蒸發(fā)、沸騰、升華蒸發(fā)、沸騰、升華 物質由液態(tài)變成氣態(tài)或固態(tài)直接變成氣態(tài)的過程都稱為汽化過程，它可分為蒸發(fā)、沸騰和升華三種情況。 蒸發(fā)蒸發(fā) 在任何溫度下（只要低于臨界溫度如水為374）液體表面的汽化過程。在制冷技術中，“蒸發(fā)”通常代表液體的沸騰過程。 沸騰沸騰 將液體加熱到一定的溫度，液體逐漸變成蒸氣；當蒸汽的形成不僅來自液體表面，而且來自液體內部，且形成許多小汽泡上升至液面上方空間時，這一現象稱為沸騰。也就是溫度升高到液體

3、的蒸汽壓力與周圍的空間壓力相等時，液體即開始沸騰。液體開始沸騰時的溫度叫做沸點。沸騰也是同時發(fā)生在液體內部和表面的汽化現象。 升華升華 某些固體不經過液態(tài)而直接變成氣態(tài)的汽化現象叫做升華。升華是固體的直接汽化過程，容易升華的固體叫揮發(fā)性固體。物質在汽化時要吸收熱量，單位質量的液體變成同溫度的汽體所吸收的熱量叫做汽化熱，因為也是蒸發(fā)時所吸收的熱量，所以也可叫做蒸發(fā)熱。熔化熱和汽化熱都叫做物體的潛熱。 基礎知識基礎知識物態(tài)的變化物態(tài)的變化冷凝與凝化冷凝與凝化 在溫度和壓力都要小于氣體臨界值的條件下，將蒸汽冷卻或與壓縮同時進行時，使蒸汽轉變?yōu)橐后w的過程叫做液化。單位重量的蒸汽變成同溫度的液體所移去的

4、熱量稱為冷凝熱。冷凝時的溫度叫做冷凝溫度，冷凝溫度在冷凝過程中保持不變。它與冷凝蒸汽的壓力有關。 當蒸汽遇到比該蒸汽物質的凝固溫度低的物體時，則蒸汽不經過液體能直接凝固成固體而附在低溫物體的表面，叫做凝華。例如水蒸汽遇到比水的冰點低的物體時，它就在低溫物體的表面結成冰霜，它實際上是升華的逆過程，這一過程顯然是要放出熱量的。這一現象在制冷和凍干中是經常遇到的。基礎知識基礎知識物態(tài)的變化物態(tài)的變化臨界溫度與臨界壓力臨界溫度與臨界壓力 氣體和蒸汽都是物質的氣態(tài)狀態(tài)，物質的臨界溫度可以作為判斷氣態(tài)物質是氣體還是蒸汽的標準。當溫度高于該物質的臨界溫度時，該物質的氣態(tài)稱為氣態(tài)；當溫度低于該物質的臨界溫度時

5、，該物質的氣態(tài)稱為蒸汽。 氣體的液化溫度是與壓力有關的。氣體的壓力越小時，則其液化溫度越低；隨著壓力的增加，氣體的液化溫度也升高。對于某一種物質的氣體，有一個固定的溫度值。超出這個溫度時，物質只能處于氣態(tài)，無論加多大的壓力也不能使其壓縮成液體，這個溫度就稱為該物質氣體的臨界溫度。在臨界溫度時使該氣體液化所需要的最小壓力，稱為該物質氣體的臨界壓力。 水蒸汽的臨界溫度為374，臨界壓力是217.7atm。溫度降低時水蒸汽很容易液化。 在不同的溫度水和冰均有不同的蒸汽壓。溫度降低時，冰和水的蒸汽壓也隨之降低。 基礎知識基礎知識物態(tài)的變化物態(tài)的變化飽和蒸汽壓飽和蒸汽壓 任何液體物質，當在一密閉容器內蒸

6、發(fā)時，達到一定的程度后，液體汽化與蒸汽的液化就處于平衡狀態(tài)。這時密閉容器內的蒸汽稱為飽和蒸氣；密閉容器內的蒸汽壓強稱為飽和蒸汽壓。 飽和蒸汽壓隨溫度的升高而增大，隨溫度的降低而減小。對于同一蒸汽，在不同的溫度有不同的飽和蒸汽壓。如果飽和蒸汽繼續(xù)得到熱量，則溫度將比飽和時的溫度高，但壓力仍保持原飽和溫度時相應壓力值，這樣的蒸汽稱超熱蒸汽。 如果在某一密閉系統(tǒng)內，有一個蒸汽源，而該系統(tǒng)內各部份有不同的溫度差時，則該密閉系統(tǒng)的飽和蒸汽壓由最低的溫度所決定，即最低溫度所對應的飽和蒸汽壓。基礎知識基礎知識熱與溫度熱與溫度溫標溫標攝氏溫標攝氏溫標在標準大氣壓下，以水的冰點為0。水的沸點為100。在0100

7、之間分成100等分，每一等分叫1。這種溫標就叫做攝氏溫標，用符號表示。華氏溫標華氏溫標在標準大氣壓下，以水的冰點為32。水的沸點為212，在32212之間分成180等分，每一等分叫1F。這種溫標就叫做華氏溫標，用符號F表示。華氏和攝氏可用下面的公式進行換：華氏換攝氏：=5/9（F32）攝氏換華氏：F=32開氏溫標開氏溫標以攝氏零下273.15作為零度，也就是開氏零度等于攝氏零下273.15。開氏溫標用符號K表示，開氏溫標也叫絕對溫標；開氏零度即零下273.15，也叫做絕對零度。絕對零度是達不到的。開氏溫度：273.15基礎知識基礎知識熱與溫度熱與溫度熱量及單位熱量及單位溫度溫度只能表示物體冷或

8、熱的程度。溫度高或溫度低，不能從數量上來表示物體熱能的多少。熱量熱量物體吸收或放出熱能的多少叫做熱量。計算熱量的單位是卡（cal）或千卡（kcal），千卡又叫大卡，1大卡（kcal）=1000卡（cal）。卡（卡（calcal）的單位規(guī)定）的單位規(guī)定把1g水的溫度升高或降低1所吸收或放出的熱量規(guī)定為1卡（cal）。比熱比熱質量相同的不同物質溫度升高1時所需要的熱量是不相同的，我們把單位質量的某種物質溫度升高或降低1時所吸收或放出的熱量，叫做這種物質的比熱。單位是卡/克度（cal/g）、（千卡/公斤 ）kcal/kg 熱量數學表達式：熱量數學表達式：Q=CQ=Cm（t2t1） 千卡（千卡（kca

9、l）1kcal（千卡）（千卡）=3.6106 J(焦耳焦耳)=3.6103 KJ(千焦千焦)基礎知識基礎知識熱與溫度熱與溫度熱量的傳遞方式熱量的傳遞方式傳導傳導在受熱不均勻的物體中，熱從高溫處依靠物體的分子逐漸傳到低溫處的現象，稱為熱的傳導。這種方式的熱交換一直進行到整個物體的溫度相等為止。傳導在固體、液體和氣體之間均能發(fā)生，傳導作用必須要使物體相互接觸才能完成。對流對流在液體或氣體包括蒸汽中，熱量靠物質的流動從一部分向另一部分轉移的傳遞方式稱為對流。含熱的液體或氣體，體積因熱而膨脹，密度減少，于是因重量減輕而上升，其周圍冷的部份就被補充其原來地位，形成了對流。熱的對流只發(fā)生在液體或氣體中，而

10、且必與傳導同時發(fā)生。輻射輻射高溫熱源通過空間射向低溫物體，使低溫物體受熱升溫，這種熱量的傳遞方式叫做輻射。熱輻射與光相似，它以直線方式進行，可以在真空中傳播；輻射可以通過空氣和玻璃等透明介質，而這些透明介質本身吸熱極少。表面黑、粗糙的物體善于吸收熱；表面白亮光滑的物體不善于吸收熱和輻射熱，但善于反射熱。熱量傳遞的三種方式并非單獨進行，而是一種方式伴隨著另一種方式同時進行，或者是三種方式同時進行的。基礎知識基礎知識熱與溫度熱與溫度熱力學定律熱力學定律熱力學第一定律熱力學第一定律在任何發(fā)生能量轉換的熱力過程中，轉換前后能量的總量維持恒定。熱力學第一定律就量能量守定律，即能量既不能消滅也不能創(chuàng)生。只

11、能以一種形式的能量轉換成另一種形式的能量。熱力學第二定律熱力學第二定律熱量只能從高溫物體傳到低溫物體，不可能把熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化。制冷裝置就是根據熱力學第二定律，消耗一定的機械能，使熱量從低溫傳到高溫。熱力學第三定律熱力學第三定律不可能用任何方法使一個物體冷卻到絕對溫度的零度。此定律指出了絕對溫度是達不到的?；A知識基礎知識熱與溫度熱與溫度溫度的測量溫度的測量 為了衡量物體溫度高低的程度，就需要對溫度進行測量，溫度的測量是利用溫度計來完成的。 凍干機中常見的溫度計有熱電阻、熱電偶和熱敏電阻等。 熱電阻熱電阻 熱電阻是利用了金屬絲的電阻溫度系數原理制成的。一定長度的金屬絲，

12、當溫度升高時電阻增加，溫度降低時電阻下降。利用惠斯頓電橋能測知溫度的高低。熱電阻一般用鉑絲制作，因此又稱鉑熱電阻。 常用Pt100鉑電阻，0時電阻值100，測量范圍200+600 ，精度A級，充許誤差：0.15+0.2%t（JB/T8622-1997等效于等效于IEC751) 熱電偶熱電偶 熱電偶是利用不同的金屬絲一端焊接在一起時，在它們的二個游離端會隨溫度的變化而產生不同的電動勢，測量這個電動勢的大小便知道溫度的高低。 凍干機上一般用”T“型熱偶溫度（銅-康銅），測量范圍：200300，精度級，充許誤差0.5或0.4t （JB/T9238-1999等效于等效于IEC751）基礎知識基礎知識水

13、和溶液的特性水和溶液的特性制品中的水分制品中的水分游離水游離水( (自由水自由水) )系附著于物料中，用離心、過濾法或一般干燥溫度即可容易除去的水份，游離水可被微生物利用，是造成干燥物料腐敗的因素之一。 結合水結合水在物料中以氫鍵結合在物料的成分如蛋白質或碳水化合物上的水分，因其與物料緊密結合，所以很難以一般方法和操作加以分離，亦不被微生物利用。溶液溶液一種或多種物質均勻地混合在另一種物質中所組成的混合液。溶液一般由溶劑和溶質組成。含量多的叫溶劑，含量少的叫溶質。以水為溶劑的混合物叫水溶液。基礎知識基礎知識水和溶液的特性水和溶液的特性溶液的溶液的凍結過程和凍結過程和共晶溫度共晶溫度區(qū)為溶液完全

14、以液態(tài)存在的條件。 區(qū)因溶液的溶解度太小，部分液態(tài)及有部份溶劑因溶質之不足而形成固態(tài)的狀態(tài)，故為一液、固態(tài)混合物。 區(qū)因溶液的溶解度太大，部份液態(tài)及部份過量溶質析出為固態(tài)的狀態(tài)，故亦為一液、固態(tài)混合物。 區(qū)因溶液的溫度太低，且低于溶液能以液態(tài)形成的溫度，故完全凝固為固態(tài)，為部份溶劑與溶液的固態(tài)混合物。 區(qū)因溶液的溫度太低，且低于溶液能以液態(tài)形成的溫度，故完全凝固為固態(tài)，為部份溶質與溶液的固態(tài)混合物。 這五區(qū)的共同交會點即溶液所能達到的最低凍結溫度，故此點稱為共晶溫度，由此狀態(tài)下的溶液稱為共晶溶液。 基礎知識基礎知識水和溶液的特性水和溶液的特性圖中 A：溶劑，B：溶質 Ta/Te，Te/T飽和溶

15、解度線基礎知識基礎知識水和溶液的特性水和溶液的特性水的特性及相態(tài)圖水的特性及相態(tài)圖 水的分子由二個氫原子和一個氧原子組成，化學符號為H2O。分子量為18。水的密度在+4時最大，為1g/cm3，溫度升高或降低時均減少。冰的密度為0.92 g/cm3，所以冰比水輕，并且結冰時發(fā)生體積膨脹現象。 在1atm下水的冰點是0。壓力增加時冰點反而下降。壓力為130atm時，冰下降1 。壓力降低時，熔點上升。 當水的蒸汽壓等于外界壓力時，它就沸騰。在1atm下水的沸點為100，當壓力減小時沸點會降低；壓力增加時沸點會升高。 基礎知識基礎知識水和溶液的特性水和溶液的特性水的特性及相態(tài)圖水的特性及相態(tài)圖 OC線

16、表示水的蒸汽壓曲線，蒸汽壓隨溫度增加而上升；OC線是水、汽共存線 OA線冰的熔點與壓力的關系；OA線是冰、水共存線 OB線表示冰的蒸汽壓曲線，冰的蒸汽壓隨溫度的增加而上升；OB線是冰、汽共存線 O點是冰、水、汽三態(tài)平衡點，在這個溫度和壓力時，冰、水、汽可以同時共存，它的溫度為0.01和壓力為610Pa 從圖可以看出，當壓力低于610Pa時，不管溫度如何變化，水的液態(tài)不能存在，這時只有固態(tài)和氣態(tài)二種形態(tài)。 水蒸汽的臨界溫度為374，臨界壓力是217.7atm。溫度降低時水蒸汽很容易液化。 在不同的溫度水和冰均有不同的蒸汽壓。溫度降低時，冰和水的蒸汽壓也隨之降低?；A知識基礎知識水和溶液的特性水和

17、溶液的特性水或水蒸汽飽和溫度與水或水蒸汽飽和溫度與 飽和蒸汽壓對應數據飽和蒸汽壓對應數據基礎知識基礎知識共晶點測量方法共晶點測量方法將一對白金電極浸入液體產品之中，并在產品中插一支溫度計，把它們冷卻到40以下的低溫，然后將凍結產品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻，當發(fā)生電阻突然降低時，這時的溫度即為產品的共熔點。電橋要用交流電供電，因為直流電會發(fā)生電解作用，整個過程由儀表記錄。 完全凍結的溶液或制品，當溫度升高至某一點時，開始出現冰晶熔化，該溫度稱為共熔點溫度或共熔點。共熔點溫度并不等于共晶點溫度。對升華來說，制品溫度必須低于共熔點。 基礎知識基礎知識凍干產品的崩解溫度凍干產品的崩解溫度 升

18、華界面的概念升華界面的概念： 一個正常升華的產品，當升華進行到一定的時候，就會出現上層的干燥層和下層的凍結層，這二層之間的交界面就是升華界面。升華界面是隨著升華的進行而不斷下降的?；A知識基礎知識凍干產品的崩解溫度凍干產品的崩解溫度產品崩解溫度產品崩解溫度： 某些已經干燥的產品當溫度升高到某一數值時，會失去剛性，變得有粘性，發(fā)生類似塌陷的崩解現象，使干燥產品失去疏松多孔的狀態(tài)，封閉了下層凍結產品水蒸汽的逸出通路，妨礙了升華的繼續(xù)進行。發(fā)生崩解時的溫度叫做該產品的崩解溫度 。 對于產品要獲得良好的干燥，只有保持升華中的干燥產品的溫度在崩解點以下，直到凍結產品全部升華完畢為止，才能使產品溫度繼續(xù)上

19、升。這時由于產品中已不存在凍結冰（自由水），干燥產品即使發(fā)生崩解也不會影響產品的干燥，因為產品已從升華階段轉入解吸干燥階段。 產品的崩解溫度取決于產品本身的品種和保護劑的種類；混合物質的崩解溫度取決于各組分的崩解溫度。因此在選擇產品的凍干保護劑時，應選擇具有較高崩解溫度的材料，使升華干燥能在不很低的溫度下進行，以節(jié)省凍干的能耗和時間，提高生產率。基礎知識基礎知識凍干凍干保護劑保護劑保護劑概念：保護劑概念： 在凍干的液體制品中，除了那些有活性、有生命或有治療效果的組分之外，統(tǒng)稱為凍干保護劑。有些液體制品能單獨地進行冷凍干燥，也有些液體制品進行凍干往往不易成功。為了使某些制品能成功地進行凍干，改善

20、凍干產品的溶解性和穩(wěn)定性，或使凍干產品有美觀的外形，需要在制品中加入一些附加物質，它們就是保護劑，也可以稱懸浮介質、填充劑、賦形劑、緩沖劑、基礎物等。保護劑對于凍干制品必須是化學隋性的。 基礎知識基礎知識凍干凍干保護劑保護劑保護劑的作用保護劑的作用 ： 細菌和病毒需要在特定的培養(yǎng)介質下生長繁殖，但有些培養(yǎng)介質與細菌和病毒往往難以分離，它們一般能成功地凍干在這些培養(yǎng)介質中。 有些活性物質濃度極小，干物質含量極少。在凍干時已經干燥的物質會被升華的氣流帶走。為了改善濃度，增加干物質含量，使凍干后的產品能形成較理想的團塊。因此需要加入填充物質，使固體物質的濃度在425之間。 有些活性物質特別脆弱，在冷

21、凍干燥時由于物理或化學原因會受到危害，因此加入一些保護劑或防凍劑，以減少冷凍干燥中的損害。 加入某些物質可以提高產品的崩解溫度，以得到良好的產品并容易凍干。 為了改變凍干液體制劑的酸堿度，從而改變共熔點以利于凍干。 為了改變產品貯藏的穩(wěn)定性、提高貯藏溫度，增加貯藏時間。 對于不同的凍干制品也沒有一個保護劑的通用配方。每種產品的適宜保護劑需通過反復的試驗才能確定。基礎知識基礎知識壓強與真空壓強與真空壓力壓力/壓強的概念壓強的概念： 壓在某一物體表面上的力稱為壓力，而單位面積上所受到的力稱為壓強。壓力的單位是克或公斤（千克、kg）、壓強的單位是克/厘米2（g/cm2）或公斤/厘米2（kg/cm2）

22、。 國際標準計量單位：帕Pa或KPa、MPa。 液體和氣體同樣對處于其中的一切物體產生壓強。地球的表面包圍著一層厚厚的空氣，叫做大氣層，這個大氣層所產生的壓強叫做大氣壓。 固體的壓強只產生于重力方向，液體的壓強產生于與液體相接觸的任何一面，而氣體的壓強產生于所有的方向上。所以氣體的壓力也可以解釋為氣體分子不停地運動而撞擊容器內壁的結果。常用壓力換算關系基礎知識基礎知識壓強與真空壓強與真空 大氣壓力的大小可以通過實驗來測得。拿一根大約1米（m）長，一端封閉的細玻璃管，里面灌滿水銀，把它倒立在水銀槽中，便可見到水銀柱的下降現象，降到一定的高度便維持不動，在玻璃管上方形成一個沒有空氣的空間（真空），

23、測量水銀柱的高度約為760mm。 實驗表明：760mm高的水銀柱所產生的壓強正巧與大氣壓強相平衡。即1atm=760mmHg 水銀所產生的壓強 = 比重高度=13.676=1033.6 g/cm2 =1.0336/cm2 1.0 /cm2 大氣壓與高度有關。離海平面越高，大氣壓越低。在離海平面2000米的高度內，平均每升高12米（m），水銀柱約下降1毫米（mm）?；A知識基礎知識壓強與真空壓強與真空大氣壓力的大小可以通過實驗來測得。拿一根大約1米（m）長，一端封閉的細玻璃管，里面灌滿水銀，把它倒立在水銀槽中，便可見到水銀柱的下降現象，降到一定的高度便維持不動，在玻璃管上方形成一個沒有空氣的空間

24、（真空），測量水銀柱的高度約為760mm。 實驗表明：760mm高的水銀柱所產生的壓強正巧與大氣壓強相平衡。即1atm=760mmHg 水銀所產生的壓強 = 比重高度=13.676=1033.6 g/cm2 =1.0336/cm2 1.0 /cm2 大氣壓與高度有關。離海平面越高，大氣壓越低。在離海平面2000米的高度內，平均每升高12米（m），水銀柱約下降1毫米（mm）?；A知識基礎知識壓強與真空壓強與真空真空真空： 真空是指低于一個大氣壓的氣 體狀態(tài)。在標準大氣壓下，1m3體積中氣體的分子數為2.710 19個。而真空與大氣狀態(tài)相比較，單位體積中氣體的分子數目較少了 。真空高低的程度叫做真

25、空度，真空度用氣體壓強的大小來表示。壓強越低，表示真空度越高；反之，壓強越高，表示真空度越低。若壓強高到760mm即一個大氣壓就是沒有真空了。若壓強繼續(xù)升高，就產生了正壓。因此，低于大氣壓又可稱為負壓?；A知識基礎知識壓強與真空壓強與真空壓強的三種表示方法：絕對壓力、表壓力和真空度。三者的數學關系：絕對壓力=表壓力+1atm 換算關系：1kg/cm20.1 MPa=760mmHg=760Torr=105Pa=103mbar=1bar基礎知識基礎知識壓強與真空壓強與真空氣體的特點氣體的特點 無一定形狀、也無一定體積。氣體能無限地膨脹而完全充滿于任何體積的容器中；氣體又能均勻地混合；數種不同種類的

26、氣體，不管其比例如何，均能混合成一均勻狀態(tài)。 物質的氣體狀態(tài)由壓強、體積和溫度三個因素來決定。當氣體壓縮時，壓強增加，體積縮小，溫度升高；當氣體膨脹時，壓強降低，體積增大，溫度降低。 氣體的基本定律來概括氣體狀態(tài)變化的一些規(guī)律。 波義爾馬略特定律：P1V1=P2V2=常數 蓋呂薩克定律：V=常數T 道爾頓定律：P = P1 + P2 + P3+PN 阿費加德羅定律：等體積的任何種類氣體，在同溫度和同壓強下均有相同的分子數。例如每立方厘米的氣體在一個大氣壓和20的情況下分子數為：2.691019個。 氣體的基本定律適用于氣體，對于蒸汽不一定適用?；A知識基礎知識壓強與真空壓強與真空真空下的氣體運

27、動狀態(tài)真空下的氣體運動狀態(tài) 在常溫和常壓下，由于空氣分子的平均自由程很小，從液體蒸發(fā)出來的分子或從固體升華出來的分子，很容易與氣體分子碰撞而返回到原來液體或固體的表面，因此蒸發(fā)和升華的速度很快。 隨著真空度的升高，氣體分子變得越來越稀，分子的平均自由程逐漸增大，于是分子間的碰撞機會將較少發(fā)生。這時液體的蒸發(fā)速度和固體的升華速度將迅速增加，大量的分子將會從蒸汽源飛離出來，甚至形成蒸汽流。另外，在真空度較高的情況下，由于氣體的分子較少，分子間的碰撞機會很少發(fā)生，氣體的對流就不可能形成，因此在真空度較高的情況下，依靠對流的熱量傳遞方式將減少甚至消失；依靠氣體分子的熱傳導也將減小甚至消失。這時，真空系

28、統(tǒng)內依靠固體的熱傳導和輻射仍依然存在。 實驗得出實驗得出： 當真空度達到10Pa以下數值時，氣體分子的熱傳導和對流可以忽略不計。這時熱量的傳遞依靠固體的傳導和輻射（輻射熱很?。┻M行；而真空度上升到10Pa以上數值時，通過氣體分子的熱傳導和對流立即變得顯著活躍起來?；A知識基礎知識壓強與真空壓強與真空凍干機的真空系統(tǒng)凍干機的真空系統(tǒng)由凍干箱、水汽凝結器（冷凝器）、真空閥門和真空泵等組成。凍干時的真空度范圍大約是67670.130.13PaPa。系統(tǒng)預抽真空時要求在30min左右達到所要求的真空度。真空的獲得方式真空的獲得方式抽氣機（即真空泵或稱壓縮式、容積式）用特殊的吸氣劑吸氣如CLCA2等用水

29、汽凝結器(低溫冷阱)捕獲氣體真空區(qū)域劃分真空區(qū)域劃分凍干技術凍干技術冷凍干燥技術原理冷凍干燥技術原理冷凍干燥概念冷凍干燥概念(簡稱凍干簡稱凍干) 干燥是保持物質不致腐敗變質的方法之一。 干燥的方法有許多，如曬干、煮干、烘干、噴霧干燥和真空干燥等。但這些干燥方法都是在0以上或更高的溫度下進行。干燥所得的產品，一般是體積縮小、質地變硬，有些物質發(fā)生了氧化，一些易揮發(fā)的成分大部分會損失掉，有些熱敏性的物質，如蛋白質、維生素會發(fā)生變性。微生物會失去生物活力，干燥后的物質不易在水中溶解等。因此干燥后的產品與干燥前相比在性狀上有很大的差別。 而冷凍干燥法不同于以上的干燥方法，產品的干燥基本上在0以下的溫度

30、進行，即在產品凍結的狀態(tài)下進行，直到后期，為了進一步降低干燥產品的殘余水份含量，才讓產品升至0以上的溫度，但一般不超過40。 冷凍干燥就是把含有大量水分物質，預先進行降溫凍結凍結成固體，然后在真空真空的條件下使水蒸汽直接升華出來。而物質本身剩留在凍結時的架子中，因此它干燥后體積不變，疏松多孔。在升華時凍結產品內的冰或其它溶劑要吸收熱量。引起產品本身溫度的下降而減慢升華速度，為了增加升華速度，縮短干燥時間，必須要對產品進行適當加熱加熱。整個干燥是在較低的溫度下進行的。凍干技術凍干技術冷凍干燥技術原理冷凍干燥技術原理凍干特點凍干特點 凍干在低溫下進行，因此對于許多熱敏性的物質特別適用。如蛋白質、微

31、生物之類不會發(fā)生變性或失去生物活力。因此在醫(yī)藥上得到廣泛地應用。 在低溫下干燥時，物質中的一些揮發(fā)性成分損失很小，適合一些化學產品、藥品和食品干燥。 在冷凍干燥過程中，微生物的生長和酶的作用無法進行，因此能保持原來的性狀。 由于在凍結的狀態(tài)下進行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結構，不會發(fā)生濃縮現象。干燥后的物質疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復原來的性狀。由于干燥在真空下進行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質得到了保護。干燥能排除95-99以上的水分，使干燥后產品能長期保存而不致變質。凍干的應用凍干的應用制藥工業(yè)、生物制品：如抗菌素、抗毒素、診斷試劑和疫苗等；生物組織、

32、微生物類：動植物如角模、皮層等和酵母、藻類等；食品工業(yè)：咖啡、茶葉、蔬菜、調料、水果、方便食品等；化學工業(yè)：金屬超細微粉、化工中的催化劑等；保健品類：蜂王漿、花粉、中草藥制劑等；考古領域：古物類保存。凍干技術凍干技術冷凍干燥技術原理冷凍干燥技術原理凍干程序凍干程序在凍干之前，把需要凍干的產品分裝在合適的容器內，一般是玻璃模子瓶、玻璃管子瓶、有的經離心處理的大瓶，裝量要均勻一致，蒸發(fā)表面盡量大而厚度盡量薄一些；然后放入與凍干箱擱板尺寸相適應的金屬盤內。對瓶裝一般采用脫底盤，有利于熱量的有效傳遞。裝箱之前，先將凍干箱進行空箱降溫，然后將產品放入凍干箱內進行預凍；或者將產品放入凍干箱內板層上同時進行

33、預凍；抽真空之前要根據冷凝器制冷機的降溫速度提前使冷凝器工作，抽真空時冷凝器至少應達到45的溫度；待真空度達到一定數值后（通常應達到13Pa26Pa內的真空度），或者有的凍干工藝要求達到所要求的真空度后即可對箱內產品進行加熱。一般加熱分兩步進行，第一步加溫不使產品的溫度超過共熔點或稱共晶點的溫度；待產品內水分基本干完后進行第二步加溫，這時可迅速地使產品上升的規(guī)定的最高許可溫度。在最高許可溫度保持2h以上后，即可結束凍干。凍干結束后，要充入干燥無菌的空氣進入干燥箱，然后盡快地進行加塞封口，以防重新吸收空氣中的水分。凍干技術凍干技術冷凍干燥技術原理冷凍干燥技術原理凍干曲線和凍干時序不僅是手工操作凍

34、干機的依據，而且也是自動控制凍干機操作的凍干曲線和凍干時序不僅是手工操作凍干機的依據，而且也是自動控制凍干機操作的依據。依據。 凍干曲線凍干曲線凍干箱擱板溫度與時間之間的關系曲線。一般以溫度為縱坐標，時間為橫坐標。它反映了在凍干過程中，不同時間擱板溫度的變化情況。凍干時序凍干時序在凍干過程中不同時間的各種設備的啟閉運行情況。制定凍干曲線以擱板為依據是因為產品溫度是受擱板溫度支配的?？刂屏藬R板溫度也就控制了產品溫度。凍干曲線制定要考濾凍干曲線制定要考濾產品的品種產品的品種產品不同則共熔點亦不同，共熔點低的產品要求預凍的溫度低；加熱時板層的溫度亦相應要低些。有些產品受冷凍的影響較大，有些產品則影響

35、較??；一般細菌性的產品受冷凍的影響較大，病毒性的產品受冷凍的影響較小。要根據試驗找出一個產品的最優(yōu)冷凍速率，以獲得高質量的產品和較短的冷凍干燥時間。另外產品不同，對殘余水分的要求也不同。為了長期保存產品，有些產品要求殘余水分含量低些。有些則要求高些。殘余水分含量要求低的產品，凍干時間可短。殘余水分含量要求高的產品，凍干時間需延長時間。凍干技術凍干技術冷凍干燥技術原理冷凍干燥技術原理凍干產品用的保護劑凍干產品用的保護劑除人血漿等少數含干物質多的原料可以直接凍干外，大多數生物制品在凍干時都需要添加某種物質，制成混合液后才能進行凍干。這種物質在干燥后起支撐作用，在凍干過程中起保護作用，因此稱為保護劑

36、。有時也稱填充劑、賦形劑、緩沖劑等。裝箱前產品的分裝裝箱前產品的分裝生物制劑調配好之后應裝在一定形狀的容器中，再放入凍干箱內預凍。分裝容器分裝容器生物制品一般用瓶裝。瓶子有安瓶、小玻璃瓶和血漿瓶 。中國FDA已發(fā)布命令禁止在凍干產品上使用安瓶。小瓶塞子材料一般為丁基橡膠制造，頂部為塞蓋，中間為直徑與瓶口內徑配合緊密的圓柱部，下部為帶槽的支撐部。 在產品分裝后由半加塞機將塞子放在瓶口上。溶液分裝溶液分裝分裝在分裝機上進行。溶液在托盤、小瓶中的高度一般為1015mm，最深不得超過18mm。這樣凍干生產周期可控制在1824h內。為減小溶液凍結后的深度，對裝量大的產品可采用水平或立式旋轉凍結成殼狀，以

37、增大其外表面積，可大大縮短干燥時間。 凍干技術凍干技術冷凍干燥技術原理冷凍干燥技術原理裝量的多少裝量的多少 裝量的多少也影響凍干曲線的制定。一個是總裝量的多少，一個是每一容器內產品裝量的多少。裝量多的凍干時間也長。容器的品種容器的品種 容器的品種也是需要考慮的因素，底部平整和較薄的瓶子傳熱較好。底部不平或玻璃厚的瓶子傳熱較差，后者顯然凍干時間較長。凍干機性能的優(yōu)劣凍干機性能的優(yōu)劣凍干機性能的優(yōu)劣直接關系到凍干曲線的制定。各種不同的型號，其性能也各不相同。如：擱板與擱板之間、同一擱板上溫差；冷凝器應對水蒸汽負荷的能力、抽氣時間長短、加溫速率等。即使同一產品，在不同型號的凍干機凍干時，其凍干曲線也

38、不一樣。凍干技術凍干技術冷凍干燥技術原理冷凍干燥技術原理制定凍干曲線和時序時要確定下列數據制定凍干曲線和時序時要確定下列數據預凍速度預凍速度預凍速度大部分機器手動程序不能進行控制，因此只能以預凍溫度和裝箱時間來決定預凍的速率。運行自動控制程序可以控制降溫速率但最快不能超過設備設計性能；要求預凍的速率快，則凍干箱先降至降低的溫度，然后才讓產品進箱；要求預凍的速率慢，則產品進箱之后在讓凍干箱降溫。預凍的最低溫度預凍的最低溫度這個溫度取決于產品的共熔點溫度，預凍最低溫度應低于該產品的共熔點溫度510。預凍的時間預凍的時間為了使箱內每一瓶產品全部凍結實，一般要求在樣品的溫度達到預定的最低溫度之后再保持

39、12h的時間。冷凝器降溫的時間冷凝器降溫的時間冷凝器要求在預凍末期，抽真空之前開始降溫。要求在預凍結束抽真空的時候，冷凝器的溫度至少要達到45左右。一般抽真空之前30min開始降溫。冷凝器的降溫通常從開始之后一直持續(xù)到凍干結束為止。溫度始終應在45以下。凍干技術凍干技術冷凍干燥技術原理冷凍干燥技術原理制定凍干曲線和時序時要確定下列數據制定凍干曲線和時序時要確定下列數據抽真空時間抽真空時間預凍結束、冷凝器降溫達到要求后就是開始抽真空的時間，要求在30min左右的時間真空度能達到13Pa。一直持續(xù)到凍干結束為止。 預凍結束的時間預凍結束的時間預凍結束就是停止凍干箱板層制冷機的運轉，通常在抽真空的同

40、時停止制冷機的運轉。開始加熱時間開始加熱時間一般認為開始加熱的時間（實際上抽真空開始升華即已開始）。開始加熱是在真空度達到13Pa或設定值之后。真空報警工作時間真空報警工作時間由于真空度對于升華是極其重要的，因此，凍干機均設有真空報警裝置。真空報警裝置的工作時間在加熱開始之時到校正漏孔使用之前，或從一開始一直使用到凍干結束。一旦在升華過程中真空度下降而發(fā)生真空報警時，一方面發(fā)出報警信號，一方面自動切斷凍干箱的加熱，同時還啟動凍干箱的制冷機對產品進行降溫，以保護產品不致發(fā)生熔化。凍干技術凍干技術冷凍干燥技術原理冷凍干燥技術原理制定凍干曲線和時序時要確定下列數據制定凍干曲線和時序時要確定下列數據校

41、正漏孔校正漏孔(或稱有限泄漏法或稱有限泄漏法)的工作時間的工作時間校正漏孔的目的是為了改進凍干箱內的熱量傳遞，通常在第二干燥階段工作時使用。等凍干產品達到最高許可溫度時，才停止使用該功能，繼續(xù)恢復高真空狀態(tài)。產品加熱的最高許可溫度產品加熱的最高許可溫度板層加熱的最高許可溫度根據產品來決定，在升華時板層的加熱溫度可以超過產品的最高許可溫度，因為這時產品仍停留在低溫階段，提高板層溫度可促進升華；但凍干后期板層溫度需下降到與產品的最高許可溫度相一致。由于傳熱的溫差，板層的溫度可比產品的最高許可溫度略高少許。凍干的總時間凍干的總時間凍干的總時間是預凍時間、升華干燥時間和解析干燥工作的時間總和?？倳r間確

42、定，凍干結束時間也確定。一般冷凍干燥的時間較長，在1824h左右。有些特殊的產品需要幾天時間。 凍干技術凍干技術冷凍干燥技術原理冷凍干燥技術原理產品的預凍產品的預凍為滿足凍干工藝要求，制品進入干燥箱后必須進行預凍。預凍溫度取決于制品固有特性。一般制品溫度低于其共晶點溫度510左右。如果要得到精細結構，可采用擱板先預凍至工藝要求的溫度，然后將制品送入擱板上即快凍；反之，則采用先把制品送入擱板上，與擱板一起進行預凍即所謂慢凍。有些產品干燥比較因難，可以采取重結晶或再結晶處理。一般把產品預凍到一個遠低于其共熔點的溫度，然后使產品回升至共熔點附近、但不超過共熔點，維持3060min，再降溫至40左右的

43、溫度，以獲得凍結產品晶體結構的重組，再抽真空升華。預凍之前應確定三個數據預凍之前應確定三個數據預凍的速率，應根據產品不同而試驗出一個最優(yōu)冷凍速率；預凍的最低溫度，應根據該產品的共熔點來決定，預凍的最低溫度應低于共熔點的溫度；預凍的時間，根據機器的情況來決定，保證抽真空之前所有產品均已凍實。 凍干技術凍干技術冷凍干燥技術原理冷凍干燥技術原理產品的第一階段干躁產品的第一階段干躁(升華干燥或主干燥升華干燥或主干燥)產品的干燥可分為二個階段，在產品內的凍結冰消失之前稱第一干燥階段、也叫作升華干燥階段。制品的升華干燥過程是一個吸熱過程，1kg冰轉化為水蒸汽需要吸收約670kcal的熱量。因此升華階段必須對產品進行加熱。但對產品的加熱量是有限度的，不能使產品的溫度超過其自身的共熔點溫度。對大多數制品升華過程中所需的真空度范圍